淺談手機天線的設計挑戰與思路

admin @ 2014-03-26 , reply:0

摘要:隨著手機日益普及,用戶對手機的需求也變得越加苛刻起來,小型化,個性化,超薄,旋屏,多功能等等設計需求旺盛,手機設計師們面臨的是更加激烈的挑戰,從手機天線的角度來看,手機變得越來越小,頻帶越來越多,帶來的設計挑戰也就越大。

一、手機天線的發展趨勢
    目前手機上廣為應用的小型內置天線,多為PIFA型天線,因型似倒置大寫字母“F”而得名, PIFA天線的輻射體被安裝在接地層的正上方,使用時天線輻射片與人腦之間正好相隔PCB板,這樣就大大降低了輻射對人腦的影響,同時,PIFA天線兼顧天線小巧,結構易實現,外觀等級要求不高,天線生產一致好等等諸多特點,至今依然在手機內置天線市場上,屬於主流設計。
    隨著手機進一步普及,用戶不在局限於手機基本通訊功能,對手機外觀與功能的需求變得挑剔起來,傳統PIFA天線方案由於體積的局限,顯然不能滿足天線射頻要求,也給天線設計者帶來更大的挑戰。

二,當前手機天線設計挑戰及存在問題
    小型內置型手機天線為電小類天線,各方向的輻射性能差異不大,從最終整機的OTA的測試性能來講,小型內置天線,有兩個非常重要的性能指標分別為效率與帶寬。作為手機的一部分,手機天線最終性能如何,除了與手機的接收機的性能好壞有關外,更為關鍵的是手機本身的射頻環境,以下列出當前手機天線設計過程中存在的設計挑戰與問題。

  1.  超薄迷你型手機
        手機厚度不足,主板長度不足,致天線有效空間不足,天線效率不足
  2.  多頻天線
        GSM850、GSM900、DCS、PCS、TDS-CDMA、WCDMA、CDMA2000等等或其中三種以上制式的組合,如GSM850、GSM900、DCS、PCS致天線帶寬不足
  3. 手機造型奇特
        旋蓋,旋屏,滑蓋,翻蓋,或其中任意組合,天線在手機中的位置不利及有效空間不足, 致天線效率、帶寬不足
  4. 手機外觀多為金屬配件或含有金屬成分的裝飾器件
        金屬器件特別是靠近天線的金屬器件,或者未處理好接地的金屬器件對天線產生的影響非常大,導致天線效率、帶寬不足
  5. 手機內部空間布局緊湊
    天線周圍布滿各類器件,如speaker、camera、LED、mic、鍵盤板等等,影響天線的性能。

三、優化天線性能的思路
1、 天線外在的環境處理
1.1     去除不必要的金屬地,天線面投影處全部凈空,採用monopole天線方案,提高天線效率,monopole天線所需體積與PIFA相比更加小巧,通過去除輻射片下面PCB的地層,減少輻射片與PCB板地之間的耦合,大大減少了對天線實際的體積需求,從而使monopole天線達到PIFA天線自由空間的同等效果,且需求的體積不足PIFA一半,但缺少的PCB地層的阻隔,monopole天線對人腦的輻射比較大,同時,人手與人腦對天線諧振的影響相對比PIFA而言也比較大。
1.2     延長手機的板長,對於超小迷你型手機,作為天線的輻射體一部分的PCB,其板長對手機天線影響也猶為重要,正常手機寬度在為40mm情況下,PCB相對工作波長係數為0.4時,天線lowband900Mhz與upper band1800Mhz相對帶寬呈現最大峰值。

2、 天線的材料選擇,選擇更好的材料,提升天線性能。
2.1 導電材料的選擇
    不同的導電材料對天線最終性能的影響也是很明顯的,在種種環境約束的情況下,選擇一種適當的材料可能是解決問題的最佳思路,那麼,在選擇前了解每一種導電材料對小型內置天線性能的影響,也顯得特別重要,以下表是常見各類導電材料對傳統PIFA天線性能的影響的相應關係。
以下測試數據基於:PCB尺寸(單位:mm):40*100*1;
PIFA天線尺寸(單位:mm):40*20*7
天線支架:ABS

材料
電導率
10^6 [S/m]
低頻
效率峰值
高頻
效率峰值
61.73
59%
77%
58.13
56%
76%
40.98
56%
75%
14.49
51%
72%
鉻鎳
1.37
38%
57%

表1,典型導電材料的電導率&峰值效率

2.2 介電材料的選擇
    工程上通常採用各種塑料作為天線支架及手機外殼,理想情況下,輻射體在沒在塑料支架作為支撐及外附時,可達到最佳的輻射性能,但為了滿足一定的機械與環境測試要求,選擇適當的材質作為天線支架與外附件也是必不可少的,可根據實際情況要求,選擇介電常數高,但介質損耗低的材料,這樣天線可以在最小的損耗的情況下儘可能的小型化,如陶瓷天線。

3、 突破現有無源天線設計思路局限,採用有源天線方案。
3.1 開關天線
    通常我們所見的PIFA天線諧振點是不變的,但開關天線的通過開關切換天線的諧振點,讓天線工作在我們所需要的頻段上面,採用這種思路,可以在相對有限的空間下,如同樣在PIFA需要雙頻的空間40*7*20mm下, 輕鬆實現四頻(GSM850、GMS900、DCS、PCS),甚至到五頻(GSM850、GMS900、DCS、PCS、WCDMA),使天線自由切換在GSM的四頻頻段,及WCDMA之間,達到良好的射頻性能。在普通PIFA天線邊上多加一個耦合片,通過切換點接入開關電路,選擇不同的長度傳輸線等效成不同感抗值,以改變天線的等效阻抗,調整天線工作諧振,從而達到實現四頻、五頻功能,開關天線基於可重構天線的理念
3.2 電調諧天線
    電調諧天線基本原理與前者相同,不同的是電調諧天線可以實現讓天線諧振點微調到所設計的頻帶內每個點,且達到最好的阻抗匹配、最佳的輻射的性能,如下圖,通過電壓調整變容二極體改變切換點的接入阻抗,以改變天線的等效阻抗,從而達到實現從470Mhz到800Mhz的CMMB頻段的最佳內置天線方案。
  
圖1 電調諧CMMB天線

參考文獻
[1]劉學觀,郭輝萍,《微波技術與天線》 2001 西安電子科技大學出版社,
[2] Hirasawa, Kazuhiro《Analysis, Design, and Measurement of Small and Low-Profile Antennas》 Artech House Publishers 1991
[3] 張敏,《CST微波工作室用戶全書》,電子科技大學出版社,2004
[4] MURATA MANUFACTURING CO.EC: H01Q5/00B; H01Q9/04B2[P]. US5585810(A).1996-12-17




[admin via 研發互助社區 ] 淺談手機天線的設計挑戰與思路已經有3290次圍觀

http://cocdig.com/docs/show-post-44608.html